装配式建筑结构设计优化路径研究

孙惠民，黄华波

（浙江省机电设计研究院有限公司，杭州310000）

1 引言

当前，在建筑工程领域，装配式建筑越来越受到人们的青睐，因为装配式建筑在经济、社会和环保效益等方面具有比传统建筑更为突出的特点。而当下的技术发展并不成熟，使得部分装配式建筑存在结构方面的不足。所以，在未来的不断发展过程中，各个工程企业都应该根据装配式建筑的施工要求，做好结构设计的优化和改进，充分提升装配式建筑的结构性能，促进装配式建筑功能效益的实现。

2 装配式建筑概述

2.1 装配式建筑的基本概念

装配式建筑不仅具有结构方面的突出优势，还可以在施工建设的过程中实现生产成本的控制，减小施工过程中的环境污染和资源浪费。由于装配式建筑在这些方面的突出优势，其在各行业得到了广泛的应用。从装配式建筑结构的施工流程来看，主要以设计、生产、施工、安装为主，在预制工厂内根据前期所设计的各个构件来组织生产，对各个构件加以适当的优化，保障构件质量，这种预制生产、现场安装的方式有效提升了整体的施工效率[1]。此外，装配式建筑结构下的施工安装作业，有效实现了装配安装施工与装配件设计的结合，保持了各个结构施工的协调性与高效性。

2.2 装配式建筑的特点

装配式建筑结构应用在工程领域中，不仅缩短了施工周期，更是保持了不同施工模块和流程之间的协调性。首先，在施工作业开展时，预先制定的构件使得施工企业在施工现场有足够的时间和精力来完成其他环节的施工作业。因此，装配式建筑的施工效率更高，不同施工流程之间的衔接更好。其次，因为装配式建筑在构件生产时采用的是标准化方式，各个构件更具先进性和环保性，从而带动了整个建筑行业的发展。最后，装配式建筑在计算机技术等的辅助下，精度控制更为便捷，不仅提高了设计水平，同时提高了工程质量和效益。

2.3 装配式建筑结构设计的要求

装配式建筑结构设计中，可行性和实用性是必须要坚持的原则。专业的结构设计人员在开展设计工作时，应该考虑装配式建筑的使用功能、安全性和抗震性是否达到了结构标准要求。由于装配式建筑结构的构成要素繁多，为促进结构目标的实现，专业设计人员应开展精细化设计，以保障各个结构细节问题的处理。此外，装配式建筑中的节能环保性设计也应该达到要求，设计人员应综合分析能源消耗、环境保护等方面的要求，将装配式建筑的结构高度、结构不规则项、复杂指标等控制在特定范围内[2]。初步设计环节，尤其要进行材料、结构体系、结构布置等的综合对比，从经济性、可行性、安全性等角度，确定最佳的结构设计方案。

3 装配式建筑结构设计的思路和要求

3.1 思路

装配式建筑的结构设计中，为提升结构设计的总体水平，相关设计人员应确定设计思路。与常规的建筑结构相比，装配式建筑的结构构件具有独特性，通过结构设计优化，可以在很大程度上减少整体结构中异形构件的产生，进而提高装配式建筑的结构质量，在不断的结构设计优化中，工程建设成本也得到了一定的控制。在具体的结构设计工作中，专业设计人员需从尺寸、配筋等各个方面着手，对结构中所涉及的节点锚固、构配件拆分等加以详细处理。如果装配式建筑结构应用的是程序化设计，可能会导致建筑外形尺寸较为单一，且各个梁、板和柱等内部构件的尺寸较为单一，无法提升整个装配式建筑结构中的空间利用率[3]。现阶段，随着我国工程技术的日渐进步，BIM 技术逐步被应用于工程项目中，装配式建筑结构设计中应用BIM 技术，克服了传统结构设计技术的局限性，不仅提升了设计效率，更是实现了结构精度的控制。BIM 模型在形成以后，完全可以在项目的全生命周期内实现动态监控。结构设计方面，通过PKPM 准确计算配筋量，还能够对层侧移刚度加以精准控制，也就使得整个结构设计思路更为清晰和完整，为结构优化提供了保障。

3.2 要求

装配式建筑的结构设计中，相关设计人员应根据实际的设计需求，采用先进的结构设计技术，比如，选用BIM 技术来开展装配式建筑的结构设计优化。在利用BIM 技术开展结构设计优化的过程中，不仅要关注结构的整体质量，更要注重建筑功能性的考虑，实现装配式建筑施工过程中的资源合理配置与利用，提高装配式建筑的经济、社会与环保效益[4]。在开展装配式建筑结构设计的过程中，专业设计人员应首先了解结构的功能需求和特性，对整个装配式建筑开展科学的结构布局；其次，专业设计人员应依据结构标准，对结构体系中相关参数加以科学配置，保障各个设计细节的优化。

4 装配式建筑结构设计的优化路径

4.1 实施全过程的建筑结构设计流程管控

部分装配式建筑存在着结构设计成本偏高、设计细节把控不严的情况，这是结构设计流程管控不严格所造成的。正是因为没有制定科学的结构设计流程，导致在设计、生产与施工环节的衔接性不足，无论是构件生产还是施工作业中都面临着多种质量问题。因此，针对这一情况，在装配式建筑的结构设计时，设计人员应根据总体的结构设计标准，处理好结构图纸、构件预制和施工作业之间的紧密关系，通过不同环节的流程再造和衔接来保障设计工作的高效、有序进行[5]。各个工程企业在装配式建筑结构设计中，应该不断积累经验，对结构设计流程加以调整与控制，简化预制构件的生产工序与流程，降低总体的施工难度，实现构件预制中的成本控制。

4.2 建立健全设计体系

我国的装配式建筑施工技术在多年的发展中取得了一定的成果，但依然存在着很多的技术难题。各个工程企业在装配式建筑的结构设计和施工过程中，要不断积累结构设计经验，建立完善的结构设计体系，在该体系中明确规定装配式建筑的结构设计流程、标准等基本内容，为设计人员的设计工作提供制度指导。与常规的住宅式建筑不同，装配式建筑结构设计更需要构建可行且完善的标准设计体系，该体系由标准化户型模块和标准化交通模块所构成。交通模块，重点是要进行装配式建筑中楼梯、电梯井、过道等基本交通要素的标准化设计，而户型模块方面，重点要进行内部空间结构的优化，使得空间形状、尺寸能够达到标准化设计需求。

4.3 装配式建筑结构设计技术优化

装配式建筑的结构主要有整体式的框架结构、叠合剪力墙结构等。建筑工程项目中，每个工程建筑都有其特殊的结构施工要求，不同的结构体系内包含的结构模块各不相同，针对不同的结构模块需选择恰当的结构优化技术。比如，在建筑结构的平面部分，结构设计优化时可以选用叠合板来实现，而剪力墙结构设计优化时，则应通过预先制定叠合剪力墙来完成。

建筑结构设计技术的优化中，针对剪力墙结构体系的优化，可以从以下3 方面来开展：（1）优化结构体系中的承重墙板。整个装配式建筑结构体系中，承重墙板是重要构成要素。为保持结构目标的实现，一般将承重墙搭建在两侧山墙上，随后利用专门的结构设计软件，利用软件中的相关功能，实现整体的内力分析和构件设计，验证承重墙的竖向荷载和水平荷载能否符合总体的结构标准。（2）加强节点设计。装配式建筑结构中，不同结构要素之间是通过节点来实现连接的。加强节点设计，可以在很大程度上提升结构的整体性，发挥节点在内力传递方面的作用，各个节点连接处，应保障连接的稳定性与可靠性。（3）结构设计的过程中，应考虑现场吊装、运输和安装方面的因素。装配式建筑剪力墙结构设计中，采用分块设计的方式，应充分考虑施工现场的具体情况、承重墙板拼接位置等基本要素，在竖向拼缝的设置时，尽量避开剪力墙边缘构件位置。

在装配式建筑框架结构设计的过程中，结构设计优化应该注意：（1）混凝土强度等级应该与结构标准一致。装配式建筑的结构设计中，框架梁、框架柱混凝土强度等级，均应在C30 以上。（2）结构设计工作的开展过程中，尤其要以平面设计原则作为指导，框架梁、框架柱中心线要保持重合，如果在结构设计的过程中，梁柱中心线无法保持重合，在设计优化的过程中应考虑偏心因素的影响，而竖向构件之间应上下对齐。（3）预埋件设计的过程中，应处理好各个预埋件与主体结构的关系，保障预埋件的位置和尺寸。

4.4 预制构件拆分把控

装配式建筑的结构构件非常复杂，包含的预制构件数量较多，在结构设计与优化的过程中，专业设计人员应根据装配式建筑的结构特点，了解清楚在结构体系内哪些属于现场浇筑构件，哪些属于预制构件。一般的装配式住宅建筑在设计时，设计人员应注重水平构件预制技术的选择，尤其要注重叠合板、阳台、楼梯等的科学设计，根据现场条件来进行各个构件的科学使用，通过科学地规划与布局，节约空间和成本。此外，结构设计优化的同时，同样要对比预制外墙和承重内墙、非承重内墙的预制，以减少整个结构体系中的支架数量。

4.5 优化预制构件的节点设计

节点设计是装配式建筑结构设计中的一个难点，且节点设计是否合理，关系到装配式建筑结构的稳定性与安全性。在传统的节点设计中，一般选用的是钢筋或者套筒连接方式，这些连接材料的价格偏高，也就导致整个结构的建设施工成本较高。从经济性的角度出发，设计人员在装配式建筑结构设计中，为提高节点设计水平，可以通过优化预制构件之间、预制构件与现场混凝土构件之间的节点连接方式来最大限度地提高结构性能。

5 结语

综上所述，装配式建筑结构具有更为突出的优势，工程企业在开展装配式建筑施工建设的过程中，应根据总体的建筑建设需求，坚持实用性、可行性、安全性的设计原则，加强结构设计优化，充分提升装配式建筑的结构性能，进一步促进装配式建筑社会效益和经济效益的提升。